[發(fā)明專利]一種石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料及其水熱合成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210239786.3
• 申請日: 2012-07-12
• 公開（公告）號(hào): CN102765715A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙兵;蔣永;劉鵬;馬啟亮;蔡新輝;方濤;莊華;徐為文
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B31/04
• 分類號(hào): C01B31/04;C01G3/02;B82Y40/00;B82Y30/00;H01G9/058
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種作為超級(jí)電容器的石墨烯二維復(fù)合材料，特別是一種石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料及其水熱合成方法，屬于電化學(xué)和材料合成領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，隨著實(shí)際應(yīng)用對儲(chǔ)能設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)要求的不斷的提高，當(dāng)前的儲(chǔ)能裝置標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)能力已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。電池長久以來在汽車、電子、通訊、軍事、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，電池的能量密度相對較大，能滿足許多場合的應(yīng)用需要。然而電池也存在一定缺陷：充電時(shí)間長、功率密度相對較低等。在一些高脈沖應(yīng)用中，電池難以滿足體系。與傳統(tǒng)電池相比，超級(jí)電容器具有較高的能量密度、功率密度和長循環(huán)壽命等，作為一種清潔、高效的新型儲(chǔ)能器件，受到越來越多研究人員的關(guān)注，在電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊、國防科技等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

而超級(jí)電容器以其優(yōu)異的特性揚(yáng)長避短，可以部分或全部替代傳統(tǒng)的化學(xué)電池用于車輛的牽引電源和啟動(dòng)能源，并且具有比傳統(tǒng)的化學(xué)電池更加廣泛的用途。正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊疾贿z余力地對超級(jí)電容器進(jìn)行研究與開發(fā)。

以RuO₂為電極材料的超級(jí)電容器已經(jīng)商業(yè)化，但RuO₂昂貴的價(jià)格極大的限制了其廣泛應(yīng)用，因此開展了許多關(guān)于廉價(jià)金屬氧化物電極的研究。

CuO作為一種金屬氧化物，有著無毒害、原料豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，而其作為超級(jí)電容器具有較高的容量。但CuO作為電容材料有著致命的缺點(diǎn)：導(dǎo)電性比較差，氧化銅材料容易團(tuán)聚。這個(gè)問題解決后對新型綠色電容器制備具有重要的價(jià)值。

石墨烯（graphene）是一種由碳原子緊密堆積成的單層二維蜂窩狀（只包括六角原胞）晶格結(jié)構(gòu)，它是由sp²雜化的碳原子緊密排列而成的單層石墨片。具有超強(qiáng)導(dǎo)電性、超強(qiáng)硬度、良好導(dǎo)熱性，使其在復(fù)合材料領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服CuO作為超級(jí)電容器存在的缺陷，做出高容量、綠色環(huán)保的超級(jí)電容器材料。本發(fā)明提供了具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料及其制備方法，其典型特征為CuO片層與石墨烯片層的片片復(fù)合，是一種準(zhǔn)二維的納米結(jié)構(gòu)。作為基體骨架石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，氧化銅片層可以通過負(fù)載在石墨烯片上，實(shí)現(xiàn)其良好導(dǎo)電性，提高了復(fù)合材料的表觀電導(dǎo)率。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料，以單層石墨烯作為基體骨架，片狀氧化銅在石墨烯片層兩面生長，片狀氧化銅的寬度為200?nm，長度為500-600?nm，復(fù)合石墨烯納米片的平面尺寸在1-100?μm，厚度在1-20?nm。

一種石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料的水熱合成方法，具體步驟為：

a.?制備石墨烯氧化物前驅(qū)體；

b.?將步驟a所得的前驅(qū)體在惰性氣氛下200~500℃低溫預(yù)燒2~6?h；

c.?取一定質(zhì)量的步驟b所得到的粉末溶解于去離子水中，然后加入一定質(zhì)量的水溶性銅鹽溶解于其中，然后超聲0.5?h，攪拌；

d.?在磁力攪拌器不斷攪拌下，將濃度為0.3M的水溶性氨鹽緩慢滴加到步驟c中的溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH值為7~10，然后攪拌0.5?h；

e.?將步驟d的溶液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中，在80-120℃恒溫2~20?h，離心，醇洗三次，水洗三次，最終得到石墨烯負(fù)載片狀氧化銅復(fù)合材料。

上述步驟b中的惰性氣體為氮?dú)狻鍤庵械囊环N。

上述步驟c的水溶性銅鹽為硝酸銅或者醋酸銅的一種。

上述步驟d中所述的水溶性氨鹽為碳酸氫銨、碳酸銨、草酸銨或氨水中的一種。

上述步驟c和步驟d中的水溶性銅鹽和氨鹽按化學(xué)計(jì)量比配料。

石墨烯氧化物的制備參照Yuxi?Xu?等在J.?AM.?CHEM.?SOC.,?130(18),?5856?(2008)?中所描述的方法制備。首先用過硫酸鉀、五氧化二磷、濃硫酸將天然石墨預(yù)氧化，然后利用高錳酸鉀和濃硫酸進(jìn)行二次氧化，得到氧化石墨，酸洗除去溶液中的重金屬離子，再經(jīng)過水洗得到氧化石墨溶液，高速離心、干燥得到氧化石墨固體。

同單純的氧化銅相比，我們制備的納米復(fù)合材料具備以下突出結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，本發(fā)明制備方法的突出特點(diǎn)在于：

（1）??制備工藝簡單，復(fù)合材料制備的過程在低溫下操作，制備周期短；產(chǎn)量大，效率高，可規(guī)模化應(yīng)用。